Инжекционное запирание лазера и нанофотонный спектральный перевод электро-оптических частотных гребенок

Более чёткие «радуги» для измерения мира

Многие из современных самых точных инструментов для измерения времени, расстояния и свойств атомов опираются на специальные «радуги» лазерного света, называемые частотными гребёнками. Эти гребёнки состоят из тысяч или миллионов равномерно расположенных цветов и функционируют как ультратонкие линейки для света. Но получить эти линейки яркими, чистыми и доступными в множестве полезных диапазонов — от инфракрасного, используемого в газовой детекции, до видимого света для работы с атомами — оказывается неожиданно сложно. В статье показан новый способ усиления очень слабых гребёнок и переноса их на другие длины волн с помощью доступных лазерных диодов и крошечных чипов для управления светом, что потенциально делает продвинутые оптические измерения более практичными и распространёнными.

Почему важны компактные лазерные линейки

Частотные гребёнки позволяют учёным сравнивать световые волны с очень разными частотами, связывая оптические и микроволновые сигналы с поразительной точностью. Они лежат в основе оптических атомных часов, систем дальнометрии на основе лазера и чувствительных спектрометров, которые обнаруживают газы или исследуют хрупкие квантовые и биологические образцы. Популярный способ создания таких гребёнок — пропускание монохроматического лазерного луча через электро-оптический модулятор, который разделяет один цвет на множество равномерно расположенных зубцов. Однако для получения мощных, низкошумных гребёнок в тех диапазонах, которые требуются приложениям, нужны мощные чистые лазеры, модуляторы, способные выдерживать большие уровни света без повреждений, и низкошумные усилители на каждой длине волны — компоненты, которые либо не существуют, либо находятся в ранней стадии развития вне стандартных телекоммуникационных диапазонов.

Новый способ превратить слабый свет в сильный

Авторы решают это узкое место с помощью приёма, называемого оптическим инжекционным запиранием, используя распространённые лазерные диоды Фабри–Перро. Вместо того чтобы подавать слабую гребёнку в привычный оптический усилитель, они «засевают» недорогой диод гребёнкой. Диод затем синхронизирует своё излучение с входящей структурой и воссоздаёт гораздо более яркую версию гребёнки на выходе. В экспериментах при 780 нанометрах (цвете, полезном для атомной физики) один диод запирали на уровне до двух милли­онoв зубцов гребёнки, распределённых по полосе в 2 гигагерца, даже когда суммарная подаваемая мощность гребёнки составляла всего миллиардную долю ватта. По сравнению с коммерческим полупроводниковым усилителем такой подход дал более чем в 100 раз лучшее отношение сигнал/шум при той же крошечной входной мощности и достиг такого же качества при более чем в 35 раз меньшей входной мощности.

Создание широких и гибких гребёнок

Помимо простых демонстраций, команда показала, что их метод работает для гребёнок с широким диапазоном шагов и охватов. Они тестировали тонкоразделённые гребёнки, подходящие для сверхвысокого разрешения в спектроскопии, и более широкие гребёнки, созданные при сильном возбуждении модулятора одним радиочастотным тоном, достигая охватов в сотни гигагерц. Во всех этих случаях инжекционно-запираемый диод воспроизводил структуру гребёнки, существенно увеличивая её мощность, без заметного размытия отдельных зубцов. Это означает, что метод поддерживает как детальные «увеличенные» измерения, так и более широкие «панорамные» сканирования, используя одно и то же базовое лазерное оборудование.

Перенос цветов с помощью крошечных световых схем

Одна из крупнейших проблем — генерация мощных гребёнок на длинах волн, где лазеры и модуляторы редки, например на некоторых видимых длинах, идеальных для работы с атомами или молекулами. Для этого авторы сочетали свою схему запирания с нанофотонным спектральным переводом на чипе из нитрида кремния. Сначала они создавали гребёнку на телекоммуникационной длине волны (1560 нанометров), где доступны хорошие компоненты, и направляли её в микроскопический кольцевой резонатор на чипе. Внутри кольца нелинейные оптические процессы преобразовывали свет во второй гармонике около 780 нанометров, формируя новую гребёнку на этой длине волны — но с очень ограниченной мощностью, иногда всего в несколько миллиардных или триллионных долей ватта. Используя эту слабую переведённую гребёнку для инжекционного запирания диода на 780 нанометров, они восстанавливали яркую, высококачественную гребёнку даже при доступной мощности менее пиковата на зубец, а также в областях спектра, где стандартные усилители не работали.

Открывая путь к практичным датчикам на основе света

Проще говоря, эта работа показывает, как дешёвый компактный лазерный диод можно «попросить» копировать тонкую структуру деликатной оптической линейки и усиливать её, не размывая маркировку. В сочетании с крошечными чипами, которые переводят гребёнки из «удобных» телеком-диапазонов в более специализированные оттенки, этот подход предлагает гибкий путь к ярким, чистым гребёнкам по большей части спектра. Это, в свою очередь, может сделать продвинутые спектрометры и квантовые датчики более надёжными, компактными и простыми в развёртывании вне специализированных лабораторий — будь то мониторинг парниковых газов, улучшение дальнометрии для автономных транспортных средств или считывание показаний хрупких атомных сенсоров, используемых для исследования фундаментальных законов природы.

Цитирование: Roy Zektzer, Ashish Chanana, Xiyuan Lu, David A. Long, and Kartik Srinivasan, "Laser injection locking and nanophotonic spectral translation of electro-optic frequency combs," Optica 12, 1597-1605 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.566188

Ключевые слова: электро-оптические частотные гребенки, оптическое инжекционное запирание, нанофотонный спектральный перевод, микрорезонатор из нитрида кремния, оптическая спектроскопия